Propulsion espacial

Tabla de contenido

1. Propulsión Iónica        

2. Misión Deep Space 1        

3. Motor NSTAR        

3.1 Introducción y componentes.        

3.1.1 PROPULSOR IÓNICO:        

3.1.2 POWER PROCESSING UNIT:        

3.1.3 UNIDAD DE CONTROL DIGITAL:        

3.1.4 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE XENON        

3.2 ACTUACIONES DEL NSTAR        

3.2.1 MODOS DE OPERACIÓN:        

3.2.2 Tabla de aceleración del NSTAR        

4. Conclusiones        

1. Propulsión Iónica

De forma introductoria, se van a explicar brevemente los principios básicos de funcionamiento de un motor iónico para posteriormente centrarnos en los sistemas propios del NSTAR.

La propulsión iónica es una tecnología que consiste en ionizar un gas para propulsar una sonda o nave espacial. Esta familia de motores se caracteriza por, primero, introducir el fluido de trabajo a través de una válvula de control en una cámara llamada generador de iones, donde se logra que el propulsante neutro se ionice. En esta cámara se produce un flujo separado de electrones e iones. A continuación, se emiten los iones al pasar por el campo eléctrico establecido entre la fuente de generación y los electrodos de aceleración, de forma que el chorro se ve acelerado por fuerzas de Coulomb y por tanto aumenta su energía cinética, la cual produce el empuje del cohete por reacción de dichas fuerzas de aceleración sobre la corriente de iones. Por último, si los electrones sobrantes tras la ionización se almacenaran o quedaran en la nave, esta adquiriría una carga negativa y los iones expelidos podrían retornar no existiendo empuje. Para ello los electrones son expulsados por el neutralizador.

La cámara de ionización se mantiene a un potencial positivo, pero el electrodo que se encuentra a la salida del chorro está al nivel de potencial del vehículo. De forma general se instalan tres tipos de electrodos, uno de apantallamiento para enfocar el chorro y evitar pérdidas, otro con tensión negativa denominado de aceleración y por último el de deceleración que permite reducir la velocidad en función de la necesidad real. La velocidad que adquiere una partícula de masa m y carga q al acelerarse en una caída de potencial ∆V es:

[pic 1]

[pic 2]

Figura 1: Esquema de un motor iónico

En la figura 1 se puede ver el esquema de un motor iónico con cámara de generación de iones, rejillas de apantallamiento y aceleración y ánodo neutralizador. El combustible es alimentado desde la parte izquierda de la figura y el chorro neutralizado para lograr la propulsión se expulsa por la derecha.

El empuje máximo por unidad de área de uno de estos propulsores viene limitado por la saturación de carga, que se alcanza cuando la concentración de iones al inicio del sistema acelerador es tan alta que impiden la extracción de más corriente, bloqueando el flujo iónico. Dicho límite es (T /A)|max = 8ϵ0(∆V /∆x)2/9 . Siendo ∆x la separación entre las rejillas aceleradoras. Por lo cual se incide en la importancia de reducir la distancia entre ellas (limitada a su vez por el potencial de salto de arco eléctrico).

En la práctica la velocidad de salida se ve limitada por la vida de las rejillas. Estas se deterioran con el paso del tiempo al sufrir fuertes colisiones con los iones. Es por ello tiene una gran importancia el producir chorros de iones bien enfocados dando la forma y potencial adecuado a las rejillas.

Los métodos de ionización utilizados en la cámara se pueden dividir en:

• Ionización por bombardeo: Los iones se forman al bombardear los propulsantes gaseosos con electrones emitidos por un cátodo de filamento caliente situado en la cámara de ionización. Un campo magnético de confinamiento aplicado axialmente se encarga de inducir un movimiento helicoidal en los electrones, para maximizar el número de colisiones y reducir la pérdida de electrones por la pared.
• Ionización por contacto: Este mecanismo requiere un propulsante y un material con funciones termodinámicas de trabajo adecuadas. Tras cumplir dichos requisitos energéticos de utilización, el propulsante en contacto con el material a una temperatura adecuada se vaporizará y quedará ionizado. Uno de los tipos más utilizados es aquel en el que los iones se producen al pasar el vapor de un propulsante a baja presión, típicamente cesio, a través de una placa porosa de tungsteno caliente (1100ºC). En este tipo de ionización surgen varios problemas de almacenamiento por el fluido corrosivo a utilizar y problemas en la alta cantidad de átomos neutros que pasan al sistema acelerador colisionando con los iones y produciendo problemas de durabilidad en los electrodos. Es por esto que dicho concepto de propulsor ha sido abandonado en los últimos años a favor de sistemas más efectivos.

• Fotoionización: Proceso mediante el cual el impacto de un fotón sobre un átomo, ion o molécula provoca el desprendimiento de un electrón.

• Ionización por radiofrecuencia: Se suministra energía por radiofrecuencia, RF, acoplada a la frecuencia de los electrones. Por lo tanto, los electrones calentados por dicha perturbación colisionan con los átomos neutros del gas, ionizándolos y produciendo así plasma, del cual se extraen los iones con las rejillas del sistema acelerador. En un concepto similar a éste se basa el proyecto HiPEP de la NASA que produce plasma directamente mediante microondas.

En caso de darse un funcionamiento tal como se ha desarrollado hasta este punto, el vehículo adquiriría carga negativa, puesto que sólo se están expulsando partículas positivas. Como se ha mencionado, este uso conduciría a que los iones fuesen atraídos por el propio vehículo y se anulase el empuje, imposibilitando la propulsión. Para evitar que el vehículo adquiera carga neta se expulsan los electrones arrebatados al propulsante. Con este fin se utiliza un cátodo emisor, dispositivo formado por un filamento caliente que neutraliza el chorro de iones mediante la inyección de electrones en la sección de salida

...